中國粉體網(wǎng)訊 眾所周知,在海平面上,水的沸騰溫度是212華氏度,或100攝氏度。而且科學(xué)家們早就發(fā)現(xiàn),當(dāng)水被存儲于非常小的空間內(nèi)時(shí),它的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)溫度會發(fā)生一點(diǎn)改變,通常會下降10攝氏度左右。
但現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一系列意料之外的變化:在微小的空間里——在碳納米管中,它的內(nèi)部尺寸和幾個(gè)水分子的大小相當(dāng)——水在非常高的溫度下(通常能夠讓它沸騰的溫度)卻凍結(jié)成了固體。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)說明,當(dāng)被限制在納米結(jié)構(gòu)中,即使是非常熟悉的材料也可能完全改變它們的行為。該發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致新的應(yīng)用,如冰填充的電線,可以利用冰電線獨(dú)特的電和熱性能,因?yàn)檫@種‘冰’在室溫下能夠保持穩(wěn)定。
研究成果發(fā)表在今天出版的《自然納米技術(shù)》期刊上,論文作者是邁克爾 斯特拉諾,麻省理工學(xué)院化學(xué)工程教授卡本 P 杜布斯;博士后庫馬爾 阿格拉沃爾;和其他三位研究人員。
“如果你將流體限制在納米空間內(nèi),你可以完全改變它的相變行為,”斯特拉諾說,指的是如何及何時(shí),物質(zhì)在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間進(jìn)行改變。這種變化是可預(yù)計(jì)的,但是這種巨大的改變和變化的方向(提高而不是降低冰點(diǎn)溫度)完全出乎意料:在該團(tuán)隊(duì)的一次測試中,水的冰點(diǎn)溫度是105攝氏度或者更高(準(zhǔn)確的溫度很難確定,但105攝氏度被認(rèn)為是本次測試中的最低值;實(shí)際溫度可能高達(dá)151攝氏度。)
“這個(gè)結(jié)果出乎所有人的預(yù)料”斯特拉諾說。
事實(shí)證明,在微小的碳納米管中(完全由碳原子組成但直徑只有幾納米的蘇打水吸管的形狀),水的行為發(fā)生了改變——關(guān)鍵取決于納米管的直徑。“這是你能想到的最小管直徑,”斯特拉諾說。在實(shí)驗(yàn)中,納米管的兩端是開放的,每一端都與儲水池連接。
研究人員發(fā)現(xiàn),1.05納米和1.06納米這點(diǎn)尺寸差別的納米管,都會出現(xiàn)幾十度的、明顯的冰點(diǎn)差異�！爸皇俏⑿〉母淖�,就讓一切變得不同,”斯特拉諾說�！斑@真是一個(gè)未知的空間�！�
在之前的研究中,當(dāng)被限制在如此小的空間內(nèi),了解水和其它流體的行為如何改變時(shí),“一些模擬會出現(xiàn)矛盾的結(jié)果,”他說。其中一部分原因是,許多團(tuán)隊(duì)沒有精確地測量碳納米管的尺寸,沒有意識到這種微小的尺寸差異可能會產(chǎn)生如此不同的結(jié)果。
實(shí)際上,水也會進(jìn)入納米管中,這很令人驚訝,斯特拉諾說:碳納米管被認(rèn)為是疏水性,因此水分子應(yīng)當(dāng)很難進(jìn)入其內(nèi)部。但水確實(shí)能夠進(jìn)入,這仍然是一個(gè)未解之謎,他說。
斯特拉諾和他的團(tuán)隊(duì)利用高敏感度的成像系統(tǒng),利用振動(dòng)光譜技術(shù),跟蹤水在碳納米管中的運(yùn)動(dòng),從而首次精準(zhǔn)測量到了水的行為。
研究團(tuán)隊(duì)不僅檢測到了水在碳納米管中的存在,而且也發(fā)現(xiàn)了它的相態(tài)變化,他說:“我們能夠判斷出它是氣態(tài)或液態(tài),我們也可以判斷它是否處于固態(tài)�！彼M(jìn)入固態(tài)的時(shí)候,該團(tuán)隊(duì)沒有稱之為“冰”,因?yàn)檫@個(gè)詞意味著一種特定的晶體結(jié)構(gòu),水在納米管中還沒有呈現(xiàn)出這種狀態(tài)�！八皇钦嬲谋�,而是與冰類似的相態(tài),”斯特拉諾說,在超過水的正常沸點(diǎn)溫度下,這種固態(tài)水也沒有融化,因此,在室溫條件下,它應(yīng)該能夠保持穩(wěn)定。這種特性使得它具有廣闊的應(yīng)用前景,他說。
